لینک مخابرات کنترلی و بدون بار مفید برای عملیات‌های هواپیماهای بدون سرنشین

[1] (CNPC) معرفی شد. این لینک یک ارتباط مخابراتی ایمنی- بحرانی را ارائه می‌دهد و به همین دلیل به طیف فرکانسی اختصاصی و محفوظ در هوانوردی و استانداردهای ملی و بین‌المللی که الزامات عملیاتی سیستم CNPC را تعیین می‌کند، نیاز است.

لینک CNPC باید ارتباطات دید مستقیم[2] (LOS) که اساسا از طریق سیستم مخابراتی زمینی و همچنین ارتباطات بدون دید مستقیم[3] (BLOS) که توسط مخابرات ماهواره‌ای به دست ‌می‌آید را فراهم کند. در ایالات متحده اداره کل ملی هوافضا (NASA) موظف به ارائه شواهد فنی برای حمایت‌ از الزامات اختصاصی و توسعه استانداردهای لازم برای لینک CNPC است.

مقدمه

تاکنون ظهور هواپیماهای بدون سرنشین و مهمترین پیشرفت‌های این وسیله، تاثیر بسیاری بر عملیات‌های حریم هوایی داشته است. در ابتدا این هواپیماها برای کاربردهای نظامی ارائه شد اما امروزه با پیشرفت فناوری در بسیاری از کاربردهای غیر نظامی قابل استفاده است. از این‌رو برای استفاده غیر نظامی از این هواپیماها نیاز به انجام عملیات در حریم هوایی مشابه با هواپیماهای عمومی و تجاری است.

در حال حاضر ادغام عملیات هواپیماهای بدون سرنشین در حریم هوایی عمومی مورد توجه سازمان‌ها و صنایع مختلف قرار گرفته است. اما مسئله کلیدی که مانع از چنین ادغامی می‌شود را می‌توان کمبود استانداردهای توسعه یافته برای عملیات‌های هواپیماهای بدون سرنشین دانست، چرا که همه‌ی سیاست‌ها و استانداردهای توسعه یافته گذشته بر اساس عملیات هواپیماهای سرنشین‌دار ارائه شده‌اند.

از جمله الزامات UAVها برای امکان ورود به حریم هوایی، قابلیت پاسخگویی به کنترل ترافیک هوایی و همچنین حفظ فاصله از سایر هواپیما‌ها و موانع زمینی است. همچنین گواهینامه‌های سیستم و هواپیما، روش‌های شناسایی و اجتناب، رویه‌های مدیریت ترافیک هوایی، رابط‌های انسانی کنترل هواپیما و لینک‌های مخابراتی از جمله عناصر اصلی یک UAV در حریم هوایی است که در حال حاضر مورد بررسی قرار می‌گیرد.

از این‌رو برای پاسخگویی به این الزامات و کمک به ارائه توسعه‌های فنی و کلیدی از ناسا دعوت به عمل آمده است. در همین راستا ناسا اعلام کرد ادغام سیستم‌های هواپیماهای بدون سرنشین (UAS) در حریم هوایی ملی (NAS) در یک پروژه 5 ساله به نتیجه خواهد رسید. اهداف این پروژه عبارتند از:

• توسعه و ایجاد مدارک (شامل داده‌ها، الگوریتم‌ها، تجزیه و تحلیل‌ها و توصیه‌های معتبر) برای حمایت از تصمیم‌گیرندگان کلیدی در ایجاد سیاست، روال‌ها، استانداردها و مقررات و امکان دسترسی معمول UAV در حریم هوایی ملی
• ارائه روش‌هایی برای توسعه الزامات صلاحیت پرواز به منظور حمایت از توسعه استانداردهای گواهینامه و راهنمایی‌های نظارتی
• حمایت از توسعه نقشه‌راه ملی
• ایجاد زیرساخت‌های لازم برای تست یکپارچگی و ارزیابی (IT&E) محیطی به صورت شبیه‌سازی و نمایش‌های پروازی

معماری‌ها و نیازمندی‌های CNPC

همانطور که اشاره شد لینک مخابرات کنترلی و بدون بار مفید[4] به منظور رفع مانع اصلی در برقراری ارتباط UAS در حریم هوایی ملی ارائه شده است. رابط‌های ارتباطی ممکن برای عملیات‌های سیستم هواپیماهای بدون سرنشین در NAS بر اساس تجزیه و تحلیل انجام شده در سندRTCA SC-203 است که در شکل زیر نشان داده شده است. بر اساس این طرح UAS به عنوان یک سیستم شامل هواپیمای بدون سرنشین (UA)، بخش کنترل (CE) و بخش نظارت (SE) است. در این میان بخش کنترل خود شامل خلبان از راه دور و ایستگاه کنترل زمینی می‌شود و بخش نظارت نیز وظیفه فعال‌سازی موجودیت‌های داخلی و خارجی را برای دستیابی به وضعیت و آگاهی از موقعیت UAS بر عهده دارد.

در این معماری عناصر دیگری از جمله سیستم‌های کمک‌ ناوبری مختلف، سیستم‌های نظارت، واحد‌های اطمینان از تفکیک هواگردها، سیستم‌های مشاهده و اجتناب از برخورد، طرح‌ریزی پرواز، کنترل ماموریت و همچنین واحد کنترل ترافیک هوایی در تعامل با UAS خواهند بود. لینک CNPC شامل المان‌های مخابراتی بین UA و CE است و به طور ویژه برای انتقال دستورات از راه دور به هواپیما و دورسنجی(تله‌متری) از هواپیما عمل می‌کند. در لینک رو به پایین ممکن است اطلاعاتی شامل منابع سیستم‌های ناوبری، نظارت، واحد‌های اطمینان از تفکیک هواگردها یا سیستم‌های مشاهده و اجتناب از برخورد توسط هواپیما و در دو نوع داده یا ویدئو منتقل شود. همچنین این لینک می‌تواند به عنوان یک رله ارتباطات مخابراتی کنترل ترافیک هوایی را برای خلبان از راه دور به صورت صوت و ویدئو فراهم کند.

رابط‌های مخابراتی برای عملیات‌های UAS

الزامات ارتباطات داده CNPC از طریق سند RTCA SC-203 و دیگر منابع توسعه یافته برآورد شده است. در زیر خلاصه‌ای از الزامات ارتباطات داده‌ای برای هواپیماهای بدون سرنشین (UA) کوچک با وزن 55 کیلوگرم و UAهای متوسط و بزرگتر با وزن بیش از 55 کیلوگرم آورده شده است.

• نرخ‌های انتقال اطلاعات رو به بالا[5] (زمین به هوا)
  • UA کوچک : 2424 بیت بر ثانیه
  • UA متوسط و بزرگ : 6925 بیت بر ثانیه
• نرخ انتقال اطلاعات رو به پایین[6] (هوا به زمین)
  • UA کوچک (فقط خدمات پایه) : 4008 بیت بر ثانیه
  • UA متوسط و بزرگ (فقط خدمات پایه) : 13573 بیت بر ثانیه
  • UA متوسط و بزرگ (رادار هواشناسی و خدمات پایه) : 34133 بیت بر ثانیه
  • UA متوسط و بزرگ (ویدئو، خدمات پایه، رادار هواشناسی) : 234134 بیت بر ثانیه

انتظار می‌رود لینک CNPC از این میزان نرخ‌های داده پشتیبانی کند. همچنین تعداد کل UASهای مورد انتظار که باید توسط سیستم CNPC تا سال 2030 پشتیبانی شوند، مشخص شده است. بر اساس این اطلاعات یک لینک CNPC زمینی با شعاع 100 کیلومتر می‌تواند شامل بیش از 1680 عدد UAS کوچک، 407 عدد UAS متوسط و 91 عدد UAS بزرگ باشد.

یکی از نیازمندی‌های مهم سیستم CNPC توانایی ارائه 20 پیام کنترل منحصر به فرد در هر ثانیه برای هواپیمای بدون سرنشینی است که نیاز به کنترل بلادرنگ دارند (به عنوان مثال هواپیمای کنترل‌شونده از طریق جوی استیک). به عبارت دیگر فرکانس 20 هرتز برای انتقال اطلاعات به برخی از UASها مورد نیاز خواهد بود که CNPC این میزان را تامین می‌کند.

سند RTCA SC-203 انواع معماری‌های ممکن از ارتباطات را برای سرویس‌دهی به یکپارچگی UAS در حریم هوایی تعریف می‌کند. این معماری‌ها شامل بخش کنترل ترافیک هوایی (ارتباط بین کنترل ترافیک هوایی و خلبان از راه دور) و لینک مخابرات کنترلی و بدون بار مفید (CNPC) است که ارتباطات بین ایستگاه کنترل زمینی خلبان از راه دور و هواپیما را فراهم می‌کند.

برای لینک CNPC هر دو سیستم ارتباط دید مستقیم (ارتباط مستقیم بین هواپیما و زمین) و ارتباطات با دید غیرمستقیم (ارتباطات غیر مستقیم بین هواپیما و زمین از طریق لینک ارتباط ماهواره‌ای یا از طریق شبکه‌ای توزیع شده از ایستگاه‌های زمینی) وجود خواهد داشت. در شکل 2 یک معماری کلی از سیستم CNPC که این نیازمندی‌ها را در نظر می‌گیرد، نشان داده شده است.

ارتباطات کنترل ترافیک هوایی (ATC) و سرویس‌های ترافیک هوایی (ATS) با استفاده از همان لینک‌های ارتباط داده و صوت VHF مورد استفاده در هواپیماهای مسافربری، برقرار می‌شوند. این پیام‌های داده و صوت از طریق لینک CNPC در هواپیماهای بدون سرنشین به/ از خلبان واقع در ایستگاه کنترل زمینی رله می‌شوند.

طیف فرکانسی

لینک CNPC اطلاعات ایمنی- بحرانی را برای کنترل UAS فراهم می‌کند. از این‌رو برای فعال‌سازی ادغام UAS در حریم هوایی غیر مجزا، لینک CNPC نیاز به استفاده از طیف‌های فرکانسی هوانوردی محافظت شده دارد.

استانداردها و الزامات متعدد برای سیستم‌های CNPC در هواپیماهای بدون سرنشین باید بر اساس ارزیابی مناسب از نیازمندی‌های ارتباطات داده‌ای در آینده باشد. با توجه به نیازمندی‌های نرخ داده و تراکم هواپیماهای بدون سرنشین مورد انتظار که در بخش قبل توضیح داده شد، پهنای باند CNPC مورد نیاز برای سال 2030 به 34 مگاهرتز برای LOS CNPC زمینی و 56 مگاهرتز برای لینک‌های BLOS CNPC مبتنی بر ماهواره خواهد رسید. در حال حاضر دو طیف فرکانسی در باند L (960 تا 977 مگاهرتز) و باند C (5030 تا 5091 مگاهرتز) برای ارتباطات با دید مستقیم در نظر گرفته شده است. اما به دلیل عدم وجود زیرساخت‌های ماهواره‌ای لازم، هنوز طیف فرکانسی خاصی برای ارتباط بدون دید مستقیم تعیین نشده است.

اتصالات زمینی ATC و ATS در آینده

مشخصه کانال هوا به زمین LOS

مدل‌های دقیق کانال پهنای باند برای تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم‌های CNPC در دو باند در دسترس (باند L و C) بسیار مفید هستند. با این حال بررسی‌های گسترده نشان می‌دهد که هیچ مدل معتبر و دقیقی برای کانال هوا به زمین در باند‌های L یا C که مختص UASها باشد، وجود ندارد. بنابراین ناسا اندازه‌گیری‌های زمینی و پروازی را به منظور دستیابی به اطلاعات لازم برای توسعه مدل‌های کانال هوا به زمین در هواپیماهای بدون سرنشین و هر دو باند L و C انجام می‌دهد. در همین راستا ناسا از یک دستگاه تحلیل کانال استفاده کرده است که نمایه تاخیر توان (PDP) را به طور همزمان درباندهای L و C اندازه‌گیری می‌کند. خروجی این آزمایش‌ها مدل‌های آماری کانال است که برای هر محیط یا موقعیت توسعه خواهند یافت. اندازه‌گیری‌ها برای نواحی مختلف زمین و موقعیت‌های جغرافیایی از جمله محیط باز، روی آب، زمین تخت با مناطق شهری، برون شهری، روستایی، بیابان و جنگل، کوهستانی، مجاور به یک محدوده و بین چند کوه انجام می‌شود. همچنین تنظیمات ایستگاه‌های زمینی مختلف آزمایش خواهد شد. علاوه بر این تغییرات ارتفاع آنتن و پهنای باند نیز مورد آزمایش قرار می‌گیرد.

تجزیه و تحلیل سیستم CNPC

ناسا تجزیه و تحلیل سیستم CNPC را به صورت گسترده و بر اساس مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم CNPC و همچنین ادغام این مدل‌ها در محیط‌های شبیه‌سازی تک لینک، منطقه‌ای و حریم هوایی ملی انجام خواهد داد. مدل‌سازی و شبیه‌سازی لینک CNPC، اعتبار مدل‌های سیستم CNPC را برای استفاده در شبیه‌سازی‌های مقیاس بزرگ نشان می‌دهد. مدل‌ها بر اساس داده‌های عملیات تست پرواز مخابره CNPC اعتبار سنجی خواهند شد، در نتیجه امکان بهبود و تعریف مجدد مدل‌ها وجود دارد. همچنین ابزار نرم‌افزاری عملکرد شبکه تجاری OPNET برای توسعه مدل سیستم CNPC به کار می‌رود.

ناسا از مدل‌های CNPC یکپارچه شده با سیستم ارزیابی مفهومی حریم هوایی (ACES) در شبیه‌سازی‌های سطح منطقه و NAS استفاده می‌کند. در واقع ACES یک سیستم شبیه‌سازی و مدل‌سازی غیربلادرنگ است که نمای کلی از تمام اجزای اصلی NAS را نشان می‌دهد. این سیستم همچنین رفتارهای منحصر به فرد حاضران در حریم هوایی را مدل‌سازی می‌کند.

جمع‌بندی

به منظور فعال‌سازی عملیات هواپیماهای بدون سرنشین در حریم هوایی غیرتفکیک شده، لینک مخابراتی استاندارد قوی و ایمن CNPC باید برای استفاده در حوزه هوانوردی محافظت شده توسعه پیدا کند. سیستم CNPC توانایی ایجاد ارتباط مخابراتی امن بین ایستگاه زمینی و هواپیمای بدون سرنشین را به صورت لینک مستقیم و غیر مستقیم ( از طریق شبکه‌های زمینی و ارتباطات ماهواره‌ای) دارد. در سال‌های اخیر فعالیت‌های زیادی برای توسعه بخش لینک مستقیم CNPC انجام شده است اما کارهای بیشتری لازم است تا سیستم‌های CNPC مبتنی بر ماهواره برای باندهای موجود توسعه پیدا کنند.

ناسا با شرکت راکول کالینز برای توسعه چند دستگاه رادیوی آزمایشی CNPC در حال همکاری است. در حال حاضر یک شرکت دیگر مدل‌سازی کانال انتشار هوا به زمین در دو باند موجود برای ارتباط مستقیم CNPC از 960 تا 977 مگاهرتز و 5030 تا 5091 مگاهرتز را انجام می‌دهد. انتظار می‌رود با پایان شبیه‌سازی‌ها و در صورت کسب نتایج مطلوب، اداره هوانوردی فدرال ایالات متحده (FAA) کارگروه‌هایی را برای تنظیم استاندارد‌ها و قوانین نهایی استفاده از این لینک مخابراتی تشکیل دهد. طبق اظهار نظر برخی مسئولین ناسا و FAA حریم هوایی ایالات متحده می‌تواند از سال 2022 شاهد پرواز هواپیماهای سرنشین‌دار و بدون سرنشین در محیط‌هایی غیر تفکیک‌شده باشد.

[1] Control and Non-Payload Communications

[2] line-of-sight

[3] beyond-line-of-sight

[4] Control and Non-Payload Communications

[5] Uplink

[6] Downlink